Centelleador

Un centelleador (SIN-til-ay-ter) es un material que exhibe centelleo, la propiedad de la luminiscencia, cuando se excita con radiación ionizante. Los materiales luminiscentes, cuando son golpeados por una partícula entrante, absorben su energía y centellean (es decir, reemiten la energía absorbida en forma de luz). A veces, el estado excitado es metaestable, por lo que la relajación desde el estado excitado a estados inferiores se retrasa (lo que requiere desde unos pocos nanosegundos hasta horas, según el material). El proceso corresponde entonces a uno de dos fenómenos: fluorescencia retardada o fosforescencia. La correspondencia depende del tipo de transición y, por tanto, de la longitud de onda del fotón óptico emitido.

Principio de funcionamiento

Un detector de centelleo o contador de centelleo se obtiene cuando se acopla un centelleador a un sensor de luz electrónico como un tubo fotomultiplicador (PMT), un fotodiodo o un fotomultiplicador de silicio. Los PMT absorben la luz emitida por el centelleador y la reemiten en forma de electrones mediante el efecto fotoeléctrico. La multiplicación posterior de esos electrones (a veces llamados fotoelectrones) da como resultado un pulso eléctrico que luego puede analizarse y arrojar información significativa sobre la partícula que originalmente golpeó el centelleador. Los fotodiodos de vacío son similares pero no amplifican la señal, mientras que los fotodiodos de silicio, por otro lado, detectan los fotones entrantes mediante la excitación de los portadores de carga directamente en el silicio. Los fotomultiplicadores de silicio consisten en una serie de fotodiodos con polarización inversa y voltaje suficiente para funcionar en modo avalancha, lo que permite que cada píxel de la serie sea sensible a fotones individuales.

Historia

El primer dispositivo que utilizó un centelleador fue construido en 1903 por Sir William Crookes y utilizó una pantalla de ZnS. Los centelleos producidos por la pantalla eran visibles a simple vista si se observaban con un microscopio en una habitación a oscuras; el dispositivo se conocía como espintariscopio. La técnica condujo a una serie de descubrimientos importantes, pero era evidentemente tediosa. Los centelleadores ganaron atención adicional en 1944, cuando Curran y Baker reemplazaron la medición a simple vista con el PMT recientemente desarrollado. Este fue el nacimiento del moderno detector de centelleo.

Aplicaciones de los centelleadores

El gobierno estadounidense utiliza centelleadores como detectores de radiación de Seguridad Nacional. Los centelleadores también se pueden utilizar en detectores de partículas, exploración de nuevos recursos energéticos, seguridad de rayos X, cámaras nucleares, tomografía computarizada y exploración de gases. Otras aplicaciones de los centelleadores incluyen escáneres CT y cámaras gamma en diagnósticos médicos, y pantallas en monitores de computadora y televisores CRT de estilo antiguo. También se han propuesto centelleadores como parte de modelos teóricos para aprovechar la energía de los rayos gamma mediante el efecto fotovoltaico, por ejemplo en una batería nuclear.

El uso de un centelleador junto con un tubo fotomultiplicador encuentra un amplio uso en medidores topográficos portátiles utilizados para detectar y medir la contaminación radiactiva y monitorear material nuclear. Los centelleadores generan luz en tubos fluorescentes para convertir el ultravioleta de la descarga en luz visible. Los detectores de centelleo también se utilizan en la industria petrolera como detectores de registros de rayos gamma.

Propiedades de los centelleadores

Hay muchas propiedades deseadas de los centelleadores, como alta densidad, velocidad de operación rápida, bajo costo, dureza de radiación, capacidad de producción y durabilidad de los parámetros operativos. La alta densidad reduce el tamaño del material de las lluvias de electrones y cuantos γ de alta energía. La gama de fotones dispersos Compton para rayos γ de menor energía también se reduce mediante materiales de alta densidad. Esto da como resultado una alta segmentación del detector y conduce a una mejor resolución espacial. Por lo general, los materiales de alta densidad tienen iones pesados en la red (p. ej., plomo, cadmio), lo que aumenta significativamente la contribución del efecto fotoeléctrico (~Z⁴). El aumento de la fotofracción es importante para algunas aplicaciones, como la tomografía por emisión de positrones. Un alto poder de frenado para el componente electromagnético de la radiación ionizante requiere una mayor fotofracción; esto permite un detector compacto. Se necesita una alta velocidad de funcionamiento para una buena resolución de los espectros. La precisión de la medición del tiempo con un detector de centelleo es proporcional a √τ_sc. Los tiempos de caída cortos son importantes para la medición de intervalos de tiempo y para el funcionamiento en circuitos de coincidencia rápida. La alta densidad y el rápido tiempo de respuesta pueden permitir la detección de eventos raros en la física de partículas. La energía de las partículas depositada en el material de un centelleador es proporcional a la respuesta del centelleador. Las partículas cargadas, los cuantos γ y los iones tienen diferentes pendientes cuando se mide su respuesta. Por lo tanto, los centelleadores podrían usarse para identificar varios tipos de cuantos γ y partículas en flujos de radiación mixta. Otra consideración de los centelleadores es el costo de producirlos. La mayoría de los centelleadores de cristales requieren productos químicos de alta pureza y, a veces, metales de tierras raras que son bastante caros. Los materiales no sólo son un gasto, sino que muchos cristales requieren hornos costosos y casi seis meses de tiempo de crecimiento y análisis. Actualmente, se están investigando otros centelleadores para reducir el costo de producción.

También son deseables varias otras propiedades en un buen detector de centelleo: una salida gamma baja (es decir, una alta eficiencia para convertir la energía de la radiación incidente en fotones de centelleo), transparencia a su propia luz de centelleo (para una buena captación de luz), detección eficiente de la radiación que se está estudiando, un alto poder de parada, buena linealidad en un amplio rango de energía, un tiempo de subida corto para aplicaciones de temporización rápida (por ejemplo, mediciones de coincidencia), un tiempo de caída corto para reducir el tiempo muerto del detector y adaptarse a altas tasas de eventos, emisión en un rango espectral que coincide con la sensibilidad espectral de los PMT existentes (aunque a veces se pueden usar desplazadores de longitud de onda), un índice de refracción cercano al del vidrio (≈1,5) para permitir un acoplamiento óptimo a la ventana del PMT. La robustez y el buen comportamiento a altas temperaturas pueden ser deseables cuando es necesaria la resistencia a la vibración y a las altas temperaturas (por ejemplo, en la exploración petrolera). La elección práctica de un material centelleador suele ser un compromiso entre las propiedades que mejor se adapten a una aplicación determinada.

Entre las propiedades enumeradas anteriormente, la salida de luz es la más importante, ya que afecta tanto a la eficiencia como a la resolución del detector (la eficiencia es la relación entre las partículas detectadas y el número total de partículas que inciden en el detector; la La resolución de energía es la relación entre el ancho total en la mitad del máximo de un pico de energía determinado y la posición del pico, generalmente expresada en %). La emisión de luz depende en gran medida del tipo de partícula o fotón incidente y de su energía, lo que, por tanto, influye fuertemente en el tipo de material de centelleo que se utilizará para una aplicación particular. La presencia de efectos de extinción da como resultado una emisión de luz reducida (es decir, una eficiencia de centelleo reducida). El enfriamiento se refiere a todos los procesos de deexcitación sin radiación en los que la excitación se degrada principalmente a calor. Sin embargo, la eficiencia general de producción de señal del detector también depende de la eficiencia cuántica del PMT (típicamente ~30% en el pico) y de la eficiencia de transmisión y recolección de luz (que depende del tipo de material reflector que cubre el centelleador). y guías de luz, la longitud/forma de las guías de luz, la posible absorción de luz, etc.). La emisión de luz a menudo se cuantifica como una cantidad de fotones de centelleo producidos por keV de energía depositada. Los números típicos son (cuando la partícula incidente es un electrón): ≈40 fotones/keV para NaI(Tl), ~10 fotones/keV para centelleadores de plástico y ~8 fotones/keV para germanato de bismuto (BGO).

Generalmente se supone que los detectores de centelleo son lineales. Esta suposición se basa en dos requisitos: (1) que la salida de luz del centelleador sea proporcional a la energía de la radiación incidente; (2) que el pulso eléctrico producido por el tubo fotomultiplicador sea proporcional a la luz de centelleo emitida. La suposición de linealidad suele ser una buena aproximación, aunque pueden ocurrir desviaciones (especialmente pronunciadas para partículas más pesadas que el protón a bajas energías).

La resistencia y el buen comportamiento en entornos de alta temperatura y alta vibración son especialmente importantes para aplicaciones como la exploración petrolera (registro con cable, medición durante la perforación). Para la mayoría de los centelleadores, la salida de luz y el tiempo de disminución del centelleo dependen de la temperatura. Esta dependencia puede ignorarse en gran medida para aplicaciones a temperatura ambiente, ya que suele ser débil. La dependencia de la temperatura también es menor en los centelleadores orgánicos que en los cristales inorgánicos, como NaI-Tl o BGO. La fuerte dependencia del tiempo de desintegración de la temperatura en el centelleador BGO se utiliza para el monitoreo remoto de la temperatura en un ambiente de vacío. Los PMT acoplados también presentan sensibilidad a la temperatura y pueden dañarse si se someten a un choque mecánico. Por lo tanto, los PMT resistentes a altas temperaturas deben usarse para aplicaciones de alta temperatura y alta vibración.

La evolución temporal del número de fotones de centelleo N emitidos en un único evento de centelleo a menudo puede describirse mediante la superposición lineal de una o dos desintegraciones exponenciales. Para dos desintegraciones tenemos la forma:

N=Aexp⁡ ⁡ ()− − tτ τ f)+Bexp⁡ ⁡ ()− − tτ τ s){displaystyle N=Aexpleft(-{frac {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft} {f}} {fn}}} {fn}} {fn}} {fn}} {f}}} {f}} {f}}}} {fnf}}}}}}}}} {tau} {f}}}}}}}}}} {tau}}}} {tau}}}}} {tau}}}}} {tau}}} {tau}}} {tau}}}}}}}}}}}}}}}}} {tau} {tau} {tau}}}}}}}}}}}}}}}}}} {tau}}}}}}}} {tau}}} {tau}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { - Sí. Bexp left(-{frac {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft} {f}} {fn}}} {fn}} {fn}} {fn}} {f}}} {f}} {f}}}} {fnf}}}}}}}}} {tau} {f}}}}}}}}}} {tau}}}} {tau}}}}} {tau}}}}} {tau}}} {tau}}} {tau}}}}}}}}}}}}}}}}} {tau} {tau} {tau}}}}}}}}}}}}}}}}}} {tau}}}}}}}} {tau}}} {tau}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { - Sí.

donde τ_f y τ_s son el rápido (o aviso) y el lento (o retardado).) constantes de desintegración. Muchos centelleadores se caracterizan por tener dos componentes de tiempo: uno rápido (o rápido) y el otro lento (o retardado). Si bien el componente rápido suele dominar, la amplitud relativa A y B de los dos componentes depende del material centelleante. Ambos componentes también pueden ser función de la pérdida de energía dE/dx. En los casos en que esta dependencia de la pérdida de energía es fuerte, la constante de tiempo de desintegración general varía con el tipo de partícula incidente. Dichos centelleadores permiten la discriminación de la forma del pulso, es decir, la identificación de partículas basada en las características de desintegración del pulso eléctrico PMT. Por ejemplo, cuando se utiliza BaF2, los rayos γ normalmente excitan el componente rápido, mientras que las partículas α excitan el componente lento: por lo tanto, es posible identificarlas basándose en el tiempo de caída de la señal PMT.

Tipos de centelleadores

Cristales orgánicos

Los centelleadores orgánicos son compuestos de hidrocarburos aromáticos que contienen estructuras de anillos de benceno interconectadas de varias maneras. Su luminiscencia suele decaer en unos pocos nanosegundos.

Algunos centelleadores orgánicos son cristales puros. Los tipos más comunes son el antraceno (C
₁₄H
₁₀, tiempo de caída ≈ 30 ns), estilbeno (C
₁₄H
₁₂, tiempo de caída de 4,5 ns) y naftaleno (C
₁₀H
₈, tiempo de caída de unos pocos ns). Son muy duraderos, pero su respuesta es anisotrópica (lo que estropea la resolución de energía cuando la fuente no está colimada) y no se pueden mecanizar fácilmente ni se pueden cultivar en tamaños grandes; por lo tanto, no se utilizan con mucha frecuencia. El antraceno tiene la salida de luz más alta de todos los centelleadores orgánicos y, por lo tanto, se elige como referencia: las salidas de luz de otros centelleadores a veces se expresan como un porcentaje de luz de antraceno.

Líquidos orgánicos

Son soluciones líquidas de uno o más centelleadores orgánicos en un disolvente orgánico. Los solutos típicos son fluores como el p-terfenilo (C
₁₈H
₁₄), PBD (C
₂₀H
>₁₄N
>₂O), butilo PBD (C
₂₄H
₂₂N
₂O), PPO (C
>₁₅H
>₁₁ NO) y desplazador de longitud de onda como POPOP (C
₂₄H
>₁₆N
₂O). Los disolventes más utilizados son tolueno, xileno, benceno, fenilciclohexano, trietilbenceno y decalina. Los centelleadores líquidos se cargan fácilmente con otros aditivos, como desplazadores de longitud de onda para igualar el rango de sensibilidad espectral de un PMT en particular, o 10B para aumentar la eficiencia de detección de neutrones del propio contador de centelleo (ya que ¹⁰B tiene un alto sección transversal de interacción con neutrones térmicos). Los enfoques más nuevos combinan varios solventes o cargan diferentes metales para lograr la identificación de partículas incidentes. Para muchos líquidos, el oxígeno disuelto puede actuar como agente extintor y reducir la emisión de luz, de ahí la necesidad de sellar la solución en un recipiente libre de oxígeno.ee, recinto hermético.

Cintiladores de plástico

El término "centelleador plástico" Normalmente se refiere a un material centelleante en el que el emisor fluorescente primario, llamado flúor, está suspendido en la base, una matriz polimérica sólida. Si bien esta combinación generalmente se logra mediante la disolución del flúor antes de la polimerización en masa, el flúor a veces se asocia directamente con el polímero, ya sea de forma covalente o mediante coordinación, como es el caso de muchos centelleadores de plástico Li6. Se ha descubierto que el naftalato de polietileno exhibe centelleo por sí solo sin ningún aditivo y se espera que reemplace a los centelleadores de plástico existentes debido a su mayor rendimiento y menor precio. Las ventajas de los centelleadores de plástico incluyen una salida de luz bastante alta y una señal relativamente rápida, con un tiempo de desintegración de 2 a 4 nanosegundos, pero quizás la mayor ventaja de los centelleadores de plástico es su capacidad de moldearse mediante el uso de moldes u otros medios. en casi cualquier forma deseada con lo que suele ser un alto grado de durabilidad. Se sabe que los centelleadores de plástico muestran una saturación de salida de luz cuando la densidad de energía es grande (Ley de Birks).

Bases

Las bases más comunes utilizadas en los centelleadores de plástico son los plásticos aromáticos, polímeros con anillos aromáticos como grupos colgantes a lo largo de la cadena principal del polímero, entre los cuales el poliviniltolueno (PVT) y el poliestireno (PS) son los más destacados. Si bien la base emite fluorescencia en presencia de radiación ionizante, su bajo rendimiento y su insignificante transparencia respecto de su propia emisión hacen necesario el uso de fluores en la construcción de un centelleador práctico. Aparte de los plásticos aromáticos, la base más común es el polimetilmetacrilato (PMMA), que tiene dos ventajas sobre muchas otras bases: alta transparencia y propiedades mecánicas a la luz ultravioleta y visible y mayor durabilidad con respecto a la fragilidad. La falta de fluorescencia asociada con el PMMA a menudo se compensa mediante la adición de un codisolvente aromático, normalmente naftaleno. De este modo, un centelleador de plástico basado en PMMA ofrece transparencia a su propia radiación, lo que ayuda a garantizar una recogida uniforme de la luz.

Otras bases comunes incluyen polivinilxileno (PVX), polimetilo, 2,4-dimetilo, 2,4,5-trimetilestirenos, polivinildifenilo, polivinilnaftaleno, poliviniltetrahidronaftaleno y copolímeros de estas y otras bases.

Fluores

También conocidos como luminóforos, estos compuestos absorben el centelleo de la base y luego emiten en una longitud de onda más grande, convirtiendo efectivamente la radiación ultravioleta de la base en luz visible, que se transfiere más fácilmente. Se puede aumentar aún más la longitud de atenuación mediante la adición de un segundo flúor, denominado convertidor o desplazador de espectro, lo que a menudo da como resultado la emisión de luz azul o verde.

Los fluores comunes incluyen hidrocarburos polifenílicos, oxazol y arilos de oxadiazol, especialmente n-terfenilo (PPP), 2,5-difeniloxazol (PPO), 1,4-di-(5-fenil-2-oxazolil)-benceno (POPOP), 2-fenil-5-(4-bifenilil)-1,3,4-oxadiazol (PBD) y 2-(4'-terc-butilfenil)-5-(4''-bifenilil)-1, 3,4-oxadiazol (B-PBD).

Cristales inorgánicos

Los centelleadores inorgánicos suelen ser cristales cultivados en hornos de alta temperatura, por ejemplo, haluros de metales alcalinos, a menudo con una pequeña cantidad de impureza activadora. El más utilizado es el NaI(Tl) (yoduro de sodio dopado con talio); su luz centelleante es azul. Otros cristales de haluros alcalinos inorgánicos son: CsI(Tl), CsI(Na), CsI(puro), CsF, KI(Tl), LiI(Eu). Algunos cristales no alcalinos incluyen: BGO, BaF2, CaF2(Eu), ZnS(Ag), CaWO4, CdWO4, YAG(Ce) (Y
₃Al
₅O
₁₂(Ce)), OSG, LSO. (Para más ejemplos, ver también fósforos).

Los productos recientemente desarrollados incluyen LaCl
₃(Ce), cloruro de lantano dopado con cerio, así como un compuesto dopado con cerio bromuro de lantano, LaBr
₃(Ce). Ambos son muy higroscópicos (es decir, se dañan cuando se exponen a la humedad del aire) pero ofrecen una excelente salida de luz y resolución de energía (63 fotones/keV γ para LaBr<sup style="font-size:inherit; altura de línea: heredar; (Ce) frente a 38 fotones/keV γ para NaI(Tl)), una respuesta rápida (16 ns para LaBr
₃(Ce) versus 230 ns para NaI(Tl)), excelente linealidad y una salida de luz muy estable en un amplio rango de temperaturas. Además, LaBr₃(Ce) ofrece un mayor poder de frenado para los rayos γ (densidad de 5,08 g/cm³ frente a 3,67 g/cm³ para NaI(Tl)). LYSO (Lu
_1.8Y
>_0,2SiO
>₅ (Ce)) tiene una densidad aún mayor (7,1 g/cm³, comparable a BGO), no es higroscópico y tiene una mayor emisión de luz que BGO (32 fotones/keV γ), además de ser bastante rápido (tiempo de desintegración de 41 ns frente a 300 ns para BGO).

Una desventaja de algunos cristales inorgánicos, por ejemplo, NaI, es su higroscopicidad, una propiedad que requiere que se alojen en un recipiente hermético para protegerlos de la humedad. CsI (Tl) y BaF₂ son sólo ligeramente higroscópicos y normalmente no necesitan protección. CsF, NaI(Tl), LaCl
₃(Ce), LaBr
₃(Ce) son higroscópicos, mientras que BGO, CaF
₂(UE), LYSO y YAG(Ce) no lo son.

Los cristales inorgánicos se pueden cortar en tamaños pequeños y organizar en una configuración de matriz para proporcionar sensibilidad de posición. Estas matrices se utilizan a menudo en física médica o aplicaciones de seguridad para detectar rayos X o rayos γ: normalmente se prefieren materiales con alto Z y alta densidad (por ejemplo, LYSO, BGO) para este tipo de aplicaciones.

El centelleo en cristales inorgánicos suele ser más lento que en los orgánicos, oscilando normalmente entre 1,48 ns para ZnO(Ga) y 9000 ns para CaWO
₄. Las excepciones son CsF (~5 ns), rápido BaF
₂ (0,7 ns; el componente lento está en 630 ns), así como los productos más nuevos (LaCl
₃(Ce), 28 ns; LaBr
₃(Ce), 16 ns; LYSO, 41 ns).

Para la aplicación de imágenes, una de las ventajas de los cristales inorgánicos es su alto rendimiento luminoso. Recientemente se ha informado de algunos centelleadores de alto rendimiento luminoso por encima de 100.000 fotones/MeV a 662 keV para LuI
₃(Ce), SrI
₂(UE) y Cs
₂HfCl
₆.

Se conocen muchos fósforos centelleadores de semiconductores, como ZnS(Ag) (mencionado en la sección de historia), CdS(Ag), ZnO(Zn), ZnO(Ga), CdS(In), ZnSe(O) y ZnTe(O), pero ninguno de ellos está disponible como monocristal. CdS(Te) y ZnSe(Te) han estado disponibles comercialmente en forma de monocristal, pero su luminosidad se apaga parcialmente a temperatura ambiente.

GaAs(Si,B) es un centelleador semiconductor criogénico recientemente descubierto con una alta emisión de luz en el infrarrojo y aparentemente sin resplandor. En combinación con fotodetectores criogénicos de ruido ultrabajo, es el objetivo de los experimentos para detectar excitaciones electrónicas raras y de baja energía procedentes de la interacción de la materia oscura.

Cescintiladores gaseosos

Los centelleadores gaseosos consisten en nitrógeno y los gases nobles helio, argón, criptón y xenón, siendo el helio y el xenón los que reciben mayor atención. El proceso de centelleo se debe a la desexcitación de átomos individuales excitados por el paso de una partícula entrante. Esta desexcitación es muy rápida (~1 ns), por lo que la respuesta del detector es bastante rápida. Generalmente es necesario recubrir las paredes del contenedor con un cambiador de longitud de onda, ya que esos gases generalmente se emiten en el ultravioleta y los PMT responden mejor a la región azul-verde visible. En física nuclear, se han utilizado detectores gaseosos para detectar fragmentos de fisión o partículas pesadas cargadas.

Gafas

Los centelleadores de vidrio más comunes son los silicatos de boro o litio activados con cerio. Dado que tanto el litio como el boro tienen grandes secciones transversales de neutrones, los detectores de vidrio son especialmente adecuados para la detección de neutrones térmicos (lentos). El litio se utiliza más que el boro, ya que libera una mayor energía al capturar un neutrón y, por tanto, produce una mayor emisión de luz. Sin embargo, los centelleadores de vidrio son sensibles a los electrones y también a los rayos γ (la discriminación de la altura del pulso se puede utilizar para la identificación de partículas). Al ser muy robustos, también se adaptan bien a condiciones ambientales adversas. Su tiempo de respuesta es de ≈10 ns, pero su salida de luz es baja, típicamente ≈30% de la del antraceno.

Cintiladores de perovskita basados en solución

Las propiedades de centelleo de perovskitas de haluro de plomo de metilamonio (MA) orgánico-inorgánico bajo irradiación de protones fueron reportadas por primera vez por Shibuya et al. en 2002 y se informó sobre el primer espectro de altura de pulso de rayos γ, aunque todavía con una resolución energética deficiente ((C
₆H
₅(CH
₂)
₂NH
>₃)
₂PbBr
₄) por van Eijk et al. en 2008. Birowosuto y otros. Estudió las propiedades de centelleo de perovskitas en capas tridimensionales y bidimensionales bajo excitación de rayos X. MAPbBr3 (CH
₃NH
>₃PbBr
>₃ ) emite a 550 nm y MAPbI3 (CH
₃NH
₃PbI
₃) a 750 nm, lo que se atribuye a la emisión de excitones cerca de la banda prohibida de los compuestos. En esta primera generación de perovskitas de haluro de plomo, la emisión se extingue fuertemente a temperatura ambiente y sobreviven menos de 1000ph/MeV. Sin embargo, a 10K se observan emisiones intensas y se habla de rendimientos de hasta 200.000ph/MeV. La extinción se atribuye a la pequeña energía de unión e-h en el excitón que disminuye de Cl a Br a I. Curiosamente, se puede reemplazar el grupo MA orgánico con Cs+ para obtener CsPbX₃ h inorgánico completo.perovskitas alida. Dependiendo del contenido de Cl, Br e I, la emisión triplete de excitones excitados por rayos X se puede ajustar de 430 nm a 700 nm. También se pueden diluir Cs con Rb para obtener una sintonización similar. Los desarrollos más recientes demuestran que las perovskitas de haluro de plomo orgánicas-inorgánicas y todas las inorgánicas tienen varias propiedades de centelleo interesantes. Sin embargo, los monocristales de perovskita bidimensionales recientes serán más favorables ya que pueden tener un desplazamiento de Stokes mucho mayor, de hasta 200 nm, en comparación con los centelleadores de puntos cuánticos de CsPbBr₃ y esto es esencial para evitar la autorreabsorción de centelleadores.

Más recientemente, una nueva clase de material reportada por primera vez por el grupo de investigación del profesor Biwu Ma, llamada 0D híbrido de haluro metálico orgánico (OMHH), una extensión de los materiales de perovskita. Esta clase de materiales exhibe una fuerte unión de excitones de cientos de meV, lo que resulta en su alta eficiencia cuántica fotoluminiscente de casi la unidad. Su gran cambio de velocidad y sus propiedades sin reabsorción los hacen deseables. El mismo grupo y otros han informado sobre sus posibles aplicaciones para centelleadores. En 2020, se informó que (C38H34P2)MnBr4 tenía un rendimiento luminoso de hasta 80 000 fotones/MeV a pesar de su bajo Z en comparación con los tradicionales totalmente inorgánicos. Se han informado impresionantes rendimientos de luz de otros 0D OMHH. Existe un gran potencial para fabricar centelleadores de nueva generación a partir de esta clase de materiales. Sin embargo, están limitados por su tiempo de respuesta relativamente largo en microsegundos, que es un área de intensa investigación.

Física del centelleo

Cintiladores orgánicos

Las transiciones realizadas por los electrones de valencia libres de las moléculas son responsables de la producción de luz de centelleo en los cristales orgánicos. Estos electrones están asociados con la molécula completa y no con un átomo en particular y ocupan los llamados orbitales moleculares. El estado fundamental S₀ es un estado singlete por encima del cual están los estados singlete excitados (S^*, S^**,...), el estado triplete más bajo (T₀) y sus niveles excitados (T^*, T^**,...). Una estructura fina correspondiente a los modos de vibración molecular está asociada a cada uno de esos niveles de electrones. El espacio de energía entre los niveles de electrones es ≈1 eV; el espacio entre los niveles vibratorios es aproximadamente 1/10 del de los niveles de electrones.

Una partícula entrante puede excitar un nivel de electrones o un nivel de vibración. Las excitaciones singlete decaen inmediatamente (< 10 ps) al estado S^* sin emisión de radiación (degradación interna). El estado S_{* luego decae al estado fundamental S0 (normalmente a uno de los niveles vibratorios superiores a S0) mediante la emisión de un fotón de centelleo.. Este es el componente rápido o fluorescencia. La transparencia del centelleador al fotón emitido se debe a que la energía del fotón es menor que la requerida para una transición S0 → S^* (la transición generalmente está en un nivel vibratorio superior a S0).}

Cuando uno de los estados triplete se excita, inmediatamente decae al estado T₀ sin emisión de radiación (degradación interna). Dado que la transición T₀ → S₀ es muy improbable, el estado T₀ decae al interactuar con otro T₀ sub>molécula:

T0+T0→ → SAlternativa Alternativa +S0+fotones{displaystyle T_{0}+T_{0}rightarrow S^{*}+S_{0}+{text{photons}}

y deja una de las moléculas en el estado S^*, que luego decae a S₀ con la liberación de un fotón de centelleo. Dado que la interacción T₀-T₀ lleva tiempo, la luz de centelleo se retrasa: este es el componente lento o retardado (correspondiente a la fluorescencia retardada). En ocasiones se produce una transición directa T₀ → S₀ (también retardada), y corresponde al fenómeno de la fosforescencia. Tenga en cuenta que la diferencia observacional entre fluorescencia retardada y fosforescencia es la diferencia en las longitudes de onda del fotón óptico emitido en una transición S^* → S₀ versus una T ₀ → S₀ transición.

Los centelleadores orgánicos se pueden disolver en un disolvente orgánico para formar un centelleador líquido o plástico. El proceso de centelleo es el mismo que se describe para los cristales orgánicos (arriba); lo que difiere es el mecanismo de absorción de energía: la energía primero es absorbida por el disolvente y luego pasa al soluto de centelleo (los detalles de la transferencia no se comprenden claramente).

Cintiladores inorgánicos

El proceso de centelleo en materiales inorgánicos se debe a la estructura de bandas electrónicas que se encuentra en los cristales y no es de naturaleza molecular como es el caso de los centelleadores orgánicos. Una partícula entrante puede excitar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción o a la banda de excitones (ubicada justo debajo de la banda de conducción y separada de la banda de valencia por un espacio de energía; ver imagen). Esto deja un agujero asociado detrás, en la banda de valencia. Las impurezas crean niveles electrónicos en la brecha prohibida. Los excitones son pares de electrones y huecos débilmente unidos que deambulan a través de la red cristalina hasta que son capturados como un todo por los centros de impurezas. A continuación, estos últimos se desexcitan rápidamente emitiendo luz centelleante (componente rápido). Las impurezas activadoras normalmente se eligen de modo que la luz emitida esté en el rango visible o cerca del UV, donde los fotomultiplicadores son efectivos. Los huecos asociados a los electrones en la banda de conducción son independientes de estos últimos. Esos huecos y electrones son capturados sucesivamente por centros de impurezas que excitan ciertos estados metaestables no accesibles a los excitones. La desexcitación retardada de esos estados de impurezas metaestables nuevamente da como resultado luz centelleante (componente lento).

BGO (óxido de bismuto y germanio) es un centelleador inorgánico puro sin ninguna impureza activadora. Allí, el proceso de centelleo se debe a una transición óptica del ion Bi3+, un constituyente principal del cristal. En los centelleadores de tungstato CaWO4 y CdWO4, la emisión se debe a la desintegración radiativa de excitones autoatrapados.

El proceso de centelleo en GaAs dopado con impurezas de silicio y boro se diferencia de los centelleadores convencionales en que el dopaje de tipo n de silicio proporciona una población incorporada de electrones deslocalizados en la parte inferior de la banda de conducción.. Algunos de los átomos de impureza de boro residen en sitios de arsénico y sirven como aceptores. Un fotón de centelleo se produce siempre que un átomo aceptor, como el boro, captura un hueco de ionización de la banda de valencia y ese hueco se recombina radiativamente con uno de los electrones deslocalizados. A diferencia de muchos otros semiconductores, los electrones deslocalizados proporcionados por el silicio no se "congelan" a temperaturas criogénicas. Por encima de la concentración de transición de Mott de 8×10¹⁵ portadores libres por cm³, el estado “metálico” se mantiene a temperaturas criogénicas porque la repulsión mutua impulsa cualquier electrones al siguiente nivel de energía disponible más alto, que está en la banda de conducción. El espectro de fotones de este proceso se centra en 930 nm (1,33 eV) y hay otras tres bandas de emisión centradas en 860, 1070 y 1335 nm de otros procesos menores. Cada una de estas bandas de emisión tiene una luminosidad y un tiempo de caída diferentes. La alta luminosidad del centelleo es sorprendente porque (1) con un índice de refracción de aproximadamente 3,5, el escape es inhibido por la reflexión interna total y (2) los experimentos a 90 K informan coeficientes de absorción infrarroja de haz estrecho de varios por cm. Cálculos recientes de la integral de trayectoria de Monte Carlo y Feynman han demostrado que la alta luminosidad podría explicarse si la mayor parte de la absorción del haz estrecho es en realidad una novedosa dispersión óptica de los electrones de conducción con una sección transversal de aproximadamente 5 x 10^–18 cm² que permite que los fotones de centelleo escapen a la reflexión interna total. Esta sección transversal es aproximadamente 10⁷ mayor que la dispersión de Thomson, pero comparable a la sección transversal óptica de los electrones de conducción en un espejo metálico.

Gases

En los gases, el proceso de centelleo se debe a la desexcitación de átomos individuales excitados por el paso de una partícula entrante (un proceso muy rápido: ≈1 ns).

Respuesta a diversas radiaciones

Iones pesados

Los contadores de centelleo no suelen ser ideales para la detección de iones pesados por tres motivos:

1. el poder ionizante muy alto de iones pesados induce los efectos de apagado que resultan en una salida de luz reducida (por ejemplo, para energías iguales, un protón producirá 1/4 a 1/2 la luz de un electrón, mientras que las alfas producirán sólo alrededor 1/10 la luz);
2. el alto poder de parada de las partículas también resulta en una reducción del componente rápido en relación con el componente lento, aumentando el tiempo muerto del detector;
3. fuertes no linearidades se observan en la respuesta del detector especialmente en energías inferiores.

La reducción en la emisión de luz es más fuerte para los cristales orgánicos que para los inorgánicos. Por lo tanto, cuando sea necesario, se pueden utilizar cristales inorgánicos, p. CsI(Tl), ZnS(Ag) (normalmente utilizado en láminas delgadas como monitores de partículas α), CaF
₂(Eu), debe preferirse a los materiales orgánicos. Las aplicaciones típicas son instrumentos de medición α, instrumentos de dosimetría y detectores de iones pesados dE/dx. También se han utilizado centelleadores gaseosos en experimentos de física nuclear.

Electrones

La eficiencia de detección de electrones es esencialmente del 100% para la mayoría de los centelleadores. Pero debido a que los electrones pueden realizar dispersiones en ángulos grandes (a veces retrodispersiones), pueden salir del detector sin depositar toda su energía en él. La retrodispersión es una función que aumenta rápidamente del número atómico Z del material centelleador. Por lo tanto, los centelleadores orgánicos, que tienen un Z más bajo que los cristales inorgánicos, son los más adecuados para la detección de partículas beta de baja energía (< 10 MeV). La situación es diferente para los electrones de alta energía: dado que en las energías más altas pierden su energía principalmente por bremsstrahlung, un material de mayor Z es más adecuado para la detección del fotón de bremsstrahlung y la producción de electrones electromagnéticos. ducha que puede inducir.

Rayos gamma

Materiales High-Z, p. Los cristales inorgánicos son los más adecuados para la detección de rayos gamma. Las tres formas básicas en que un rayo gamma interactúa con la materia son: el efecto fotoeléctrico, la dispersión Compton y la producción de pares. El fotón se absorbe completamente en el efecto fotoeléctrico y en la producción de pares, mientras que sólo se deposita energía parcial en cualquier dispersión Compton determinada. La sección transversal para el proceso fotoeléctrico es proporcional a Z⁵, la de la producción de pares es proporcional a Z², mientras que la dispersión Compton es aproximadamente Z. Por lo tanto, un material con alto Z favorece los dos primeros procesos, permitiendo la detección de toda la energía del rayo gamma. Si los rayos gamma tienen energías más altas (>5 MeV), domina la producción de pares.

Neutrones

Dado que el neutrón no está cargado, no interactúa a través de la fuerza de Coulomb y, por lo tanto, no ioniza el material de centelleo. Primero debe transferir parte o toda su energía a través de la fuerza fuerte a un núcleo atómico cargado. El núcleo cargado positivamente produce entonces ionización. Los neutrones rápidos (generalmente >0,5 MeV) dependen principalmente del protón de retroceso en reacciones (n,p); materiales ricos en hidrógeno, p.e. Los centelleadores de plástico son, por tanto, los más adecuados para su detección. Los neutrones lentos dependen de reacciones nucleares como las reacciones (n,γ) o (n,α) para producir ionización. Por lo tanto, su camino libre medio es bastante grande, a menos que el material centelleador contenga nucleidos que tengan una sección transversal alta para estas reacciones nucleares, como ⁶Li o ¹⁰B. Por ello, materiales como el LiI(Eu) o los silicatos de vidrio son especialmente adecuados para la detección de neutrones lentos (térmicos).

Lista de centelleadores inorgánicos

La siguiente es una lista de cristales inorgánicos comúnmente utilizados:

• BaF
  ₂ o flúor de bario: BaF
  ₂ contiene un componente muy rápido y lento. La luz de la scintillación rápida se emite en la banda UV (220 nm) y tiene un tiempo de desintegración de 0,7 ns (tiempo de desintegración más lento para cualquier scintillator), mientras que la luz de la scintillación lenta se emite en longitudes de onda más largas (310 nm) y tiene un tiempo de desintegración de 630 ns. Se utiliza para aplicaciones de tiempo rápido, así como aplicaciones para las cuales se necesita discriminación de forma de pulso. El rendimiento de la luz BaF
  ₂ es alrededor de 12 fotones/keV. BaF
  ₂ no es higroscópico.
• BGO germanato de bismuto: el germanato de bismuto tiene una potencia de parada más alta, pero un rendimiento óptico inferior al de NaI(Tl). A menudo se utiliza en detectores de coincidencias para detectar rayos gamma de espalda a espalda emitidos a la aniquilación positron en máquinas de tomografía de emisión positron.
• CdWO
  ₄ o tungsta de cadmio: un cincelador de números atómicos de alta densidad con un tiempo de decaimiento muy largo (14 μs), y una salida de luz relativamente alta (alrededor 1/3 de la de NaI(Tl)). CdWO
  ₄ se utiliza rutinariamente para la detección de rayos X (escáneres de TC). Tener muy poco ²²⁸Th y ²²⁶Contaminación Ra, también es adecuado para aplicaciones de conteo de baja actividad.
• CaF
  ₂(Eu) o fluoruro de calcio dopado con europio: El material no es higroscópico, tiene un tiempo de decadencia de 940 ns, y es relativamente bajo-Z. Esta última propiedad lo hace ideal para la detección de partículas β de baja energía debido a la baja backscattering, pero no muy adecuado para la detección de γ. capas gruesas de CaF
  ₂(Eu) también se han utilizado con una losa más gruesa de NaI(Tl) hacer fóswiches capaces de discriminar entre α, β y partículas γ.
• CaWO
  ₄ o tungstate de calcio: exhibe tiempo de desintegración largo 9 μs y emisiones cortas de longitud de onda con máximo a 420 nm curva de sensibilidad coincidente de bi‐alkali PMT. El rendimiento de la luz y la resolución energética del cincelado (6,6% para ¹³⁷Cs) es comparable con la de CdWO
  ₄.
• CsI: iodida de cesio no dopada emite predominantemente a 315 nm, es sólo ligeramente higroscópica, y tiene un tiempo de descomposición muy corto (16 ns), lo que lo hace adecuado para aplicaciones de tiempo rápido. La salida de luz es bastante baja a temperatura ambiente, sin embargo, aumenta significativamente con el enfriamiento.
• CsI(Na) o iodida de cesio dopado con sodio: el cristal es menos brillante que CsI(Tl), pero comparable en la salida de luz a NaI(Tl). La longitud de onda de la emisión máxima es de 420 nm, bien ajustada a la sensibilidad fotocathode de los PMTs bi-alkali. Tiene un tiempo de desintegración ligeramente más corto que CsI(Tl) (630 ns versus 1000 ns para CsI(Tl)). CsI(Na) es higroscópico y necesita un recinto hermético para la protección contra la humedad.
• CsI(Tl) o iodida de cesio dopado con tallio: estos cristales son uno de los más brillantes cinceladores. Su longitud máxima de onda de emisión de luz está en la región verde a 550 nm. CsI(Tl) es sólo ligeramente higroscópica y no suele requerir un recinto hermético.
• GaAs o arsenida de galio (apropiado con impurezas de silicio y borón) es un criogénico n-cintillador semiconductor de tipo con un broche criogénico bajo (1,52 eV) y salida de luz alta (100 fotones/keV) en el infrarrojo (930 nm). La ausencia de luminiscencia estimulada térmicamente es evidencia de la ausencia de afterglow, lo que hace atractivo para detectar excitaciones electrónicas raras y de baja energía de la materia oscura que interactúa. Grandes (5 kg) cristales de alta calidad se cultivan comercialmente para aplicaciones electrónicas.
• Gd
  ₂O
  ₂S o gadolinium oxysulfide tiene una alta potencia de parada debido a su densidad relativamente alta (7.32 g/cm³) y el alto número atómico de gadolinio. La salida de luz también es buena, lo que lo hace útil como un cincelado para aplicaciones de imagen de rayos X.
• LaBr
  ₃(Ce) (o bromuro de lantano dopado con cercio): una mejor alternativa (novel) NaI(Tl); denser, más eficiente, mucho más rápido (tener un tiempo de decadencia sobre ~20ns), ofrece una resolución de energía superior debido a su muy alta salida de luz. Además, la salida de luz es muy estable y bastante alta sobre una amplia gama de temperaturas, lo que lo hace particularmente atractivo para aplicaciones de alta temperatura. Dependiendo de la aplicación, la actividad intrínseca de ¹³⁸La puede ser una desventaja. LaBr
  ₃(Ce) es muy higroscópico.
• LaCl
  ₃(Ce) (o cloruro de lantano dopado con cercio): muy rápido, de alta luz. LaCl
  ₃(Ce) es una alternativa más barata LaBr
  ₃(Ce). También es bastante higroscópico.
• PbWO
  ₄ o tungstate de plomo: debido a su alto-Z, PbWO
  ₄ es adecuado para aplicaciones donde se requiere una alta potencia de parada (por ejemplo, detección de rayos γ).
• LuI
  ₃ o iodida lutetium.
• LSO o lutetium oxyorthosilicateLu
  ₂SiO
  ₅): utilizado en tomografía de emisión positron porque exhibe propiedades similares al germanato de bismuto (BGO), pero con un rendimiento de luz superior. Su única desventaja es el fondo intrínseco de la decadencia beta de 176Lu natural.
• LYSO ()Lu
  _1.8Y
  _0.2SiO
  ₅(Ce)): comparable en densidad a BGO, pero mucho más rápido y con mucha mayor salida de luz; excelente para aplicaciones de imagen médica. LYSO no es higroscópico.
• NaI(Tl) o iodida sodio dopado con talio: NaI(Tl) es, por lejos, el material más utilizado del cincelado. Está disponible en forma de cristal simple o la forma policristalina más resistente (utilizada en entornos de vibración alta, por ejemplo, la tala de alambre en la industria petrolera). Otras aplicaciones incluyen medicina nuclear, investigación básica, vigilancia ambiental y encuestas aéreas. NaI(Tl) es muy higroscópico y necesita ser alojado en un recinto hermético.
• YAG(Ce) o granate de aluminio ytrium: YAG(Ce) no es higroscópico. La longitud de onda de la emisión máxima es de 550 nm, bien emparejado a los PMT o foto-diodos resistivos rojos. Es relativamente rápido (70 ns tiempo de decadencia). Su salida de luz es aproximadamente 1/3 de la de NaI(Tl). El material exhibe algunas propiedades que lo hacen particularmente atractivo para aplicaciones de microscopía electrónica (por ejemplo, alta eficiencia de conversión de electrones, buena resolución, robustez mecánica y larga vida).
• ZnS(Ag) o sulfuro de zinc: ZnS(Ag) es uno de los más antiguos cincelistas inorgánicos (el primer experimento que hizo uso de un scintillator por Sir William Crookes (1903) implicaba una pantalla ZnS). Sólo está disponible como polvo policristalino, sin embargo. Por lo tanto, su uso se limita a las pantallas delgadas utilizadas principalmente para la detección de partículas α.
• ZnWO
  ₄ o cinc tungstate es similar a CdWO
  ₄ Scintillator exhibiendo larga constante decaimiento 25 μs y rendimiento de luz ligeramente inferior.